基于单片机的步进电机开环控制

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1、计算机测控系统课程设计 信息工程课程设计报告书课 程 名 称计算机测控系统课程设计 课程设计总评成绩 学生姓名、学 号 学 生 专 业 班级 指 导 教 师 姓名 课程设计起止日期 课程设计基本要求课程设计是工科学生十分重要的实践教学环节，通过课程设计，培养学生综合运用先修课程的理论知识和专业技能，解决工程领域某一方面实际问题的能力。课程设计报告是科学论文写作的基础，不仅可以培养和训练学生的逻辑归纳能力、综合分析能力和文字表达能力，也是规范课程设计教学要求、反映课程设计教学水平的重要依据。为了加强课程设计教学管理，提高课程设计教学质量，特拟定如下基本要求。1. 课程设计教学一般可分为设计项目的

2、选题、项目设计方案论证、项目设计结果分析、答辩等4个环节，每个环节都应有一定的考核要求和考核成绩。2. 课程设计项目的选题要符合本课程设计教学大纲的要求，该项目应能突出学生实践能力、设计能力和创新能力的培养；该项目有一定的实用性，且学生通过努力在规定的时间内是可以完成的。课程设计项目名称、目的及技术要求记录于课程设计报告书一、二项中，课程设计项目的选题考核成绩占10%左右。3. 项目设计方案论证主要包括可行性设计方案论证、从可行性方案中确定最佳方案，实施最佳方案的软件程序、硬件电路原理图和PCB图。项目设计方案论证内容记录于课程设计报告书第三项中，项目设计方案论证主要考核设计方案的正确性、可行

3、性和创新性，考核成绩占30%左右。4. 项目设计结果分析主要包括项目设计与制作结果的工艺水平，项目测试性能指标的正确性和完整性，项目测试中出现故障或错误原因的分析和处理方法。项目设计结果分析记录于课程设计报告书第四项中，考核成绩占25%左右。5. 学生在课程设计过程中应认真阅读与本课程设计项目相关的文献，培养自己的阅读兴趣和习惯，借以启发自己的思维，提高综合分和理解能力。文献阅读摘要记录于课程设计报告书第五项中，考核成绩占10%左右。6. 答辩是课程设计中十分重要的环节，由课程设计指导教师向答辩学生提出23个问题，通过答辩可进一步了解学生对课程设计中理论知识和实际技能掌握的程度，以及对问题的理

4、解、分析和判断能力。答辩考核成绩占25%左右。7.学生应在课程设计周内认真参加项目设计的各个环节，按时完成课程设计报告书交给课程设计指导教师评阅。课程设计指导教师应认真指导学生课程设计全过程，认真评阅学生的每一份课程设计报告，给出课程设计综合评阅意见和每一个环节的评分成绩（百分制），最后将百分制评分成绩转换为五级分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）总评成绩。8. 课程设计报告书是实践教学水平评估的重要资料，应按课程、班级集成存档交实验室统一管理。课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 基于单片机的步进电机开环控制 初始条件：1， 运用所学的单片机原理及应用知识

5、；2， 单片机原理及应用实验设备。要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）使用汇编语言或C语言外加K0-K7等一系列的开关实现对步行电机转速与方向的控制（实现两个以上功能）：1. 了解单片机的基本原理，学会使用单片机实现基本应用；2. 熟悉C语言和汇编语言，实现在单片机上编程；3. 掌握步进电机的工作原理及程序实现方案；4. 程序实现步进电机启动与停止控制，方向的控制，速度控制与显示；5.严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。时间安排：序号阶 段 内 容所需时间（天）1设计思路、原理电路设计12编程,调试33撰写课程设计报告1合 计5指导教师签

6、名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 一、课程设计项目名称基于步进电机控制器的开环控制二、项目设计目的及技术要求1实验目的（1）运用所学的单片机原理及应用知识；（2）运用所学的步进电机的知识用C 语言编程控制。2实验技术要求使用C语言外加K0-K6等开关实现对步行电机启动，停止，转速和方向的控制：(1)了解单片机的基本原理，学会使用单片机实现基本应用；(2)熟悉C语言，在单片机上实现C语言编程；(3)掌握步进电机的工作原理及程序实现步进电机的控制；（4）用C语言实现步进电机启动与停止控制，方向的控制，速度控制与显示；(5)严格按照课程设计说明书要求撰写课程设计说明书。三、项目

7、设计方案论证(可行性方案、最佳方案、工作原理，硬件设计，软件程序设计、硬件电路原理图，流程图)1.可行性方案选择与论证 方案一：采用单片机89C51和脉冲分配器PMM8713控制步进电机的启停，正反转和加减速控制。步进电机控制是一个比较精确的控制，步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点，在采用单片机的步进电机开环系统中，控制系统的CP。单片机 接口 驱动器 步进电机 负载 图1微型机控制步进电机系统框图与传统步进控制器相比较有以下优点：1. 用微型机代替了步进控制器把并行二进制码转换成串行脉冲序列，并实现方向控制。 2. 只要负载是在步进电机允许的范围之内，每个脉冲将使电机转动一

8、个固定的步距角度。 3. 根据步距角的大小及实际走的步数，只要知道初始位置，便可知道步进电机的最终位置。方案二：通过改变输入脉冲信号和开关量来实现步进电机的启停，正反转，加减速控制。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其图2所示： 脉冲发生器方向控制器脉冲分配器 功率放大器步进电机图2典型步进电机控制系统框图脉冲发生器用于产生频率变化的脉冲信号; 方向控制器用于控制脉冲信号的变化达到改变电机方向的目的；脉冲分配器根据方向控制信号将

9、脉冲信号转换成有一定逻辑关系的环形脉冲;功率放大器将脉冲分配器输出的环形脉冲放大,用于控制步进电机的运转，这些部分都可以由专门的电路来实现。如果用单片机加上专门的驱动芯片来控制步进电机，可以简化电路，提高可靠性。 方案三：采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。次课程设计就是通过改

10、变脉冲频率来调节步进电机的速度的，并且通过数码管显示其转速的级别。另外通过单片机实现它的正反转，步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。液晶显示器 单片机89C51复位电路键盘控制电路 驱动电 路步进电 机电源及时钟电路图3基于单片机的步进电机控制系统框图最佳方案是方案三：采用的方法是利用单片机控制步进电机的驱动。1.1步进电机的工作原理：1.1.1 步进电机介绍步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉

11、冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常的简单。 正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。 本次课程设计采用的是步距角为1.8度的四相八拍永磁式步进电机。 1.1.2步进电机的基本参数： （1）步进电机的静态指标术语 1）相数：产生不同对N、S磁场的激磁线圈对数。常用m表示。 2）拍数：完成一个磁场周期性变化所

12、需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A. 3）步距角：对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。 4）定位转矩：电机在不通电状态下，电机转子自身的锁定力矩（由磁场齿形的谐波以及机械误差造成的） 5）静转矩：电机在额定静态电作用下，电机不作

13、旋转运动时，电机转轴的锁定力矩。此力矩是衡量电机体积（几何尺寸）的标准，与驱动电压及驱动电源等无关。 虽然静转矩与电磁激磁安匝数成正比，与定齿转子间的气隙有关，但过份采用减小气隙，增加激磁安匝来提高静力矩是不可取的，这样会造成电机的发热及机械噪音。 （2）步进电机动态指标及术语： 1）步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。 2）失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步 3）失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生

14、的误差，采用细分驱动是不能解决的。 4）最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情下，能够直接起动的最大频率。 5）最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流下，电机不带负载的最高转速频率。 6）运行矩频特性： 电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。电机一旦选定，电机的静力矩确定，而动态力矩却不然，电机的动态力矩取决于电机运行时的平均电流（而非静态电流），平均电流越大，电机输出力矩越大，即电机的频率特性越硬。 要使平均电流大，尽可能提高驱动电压，使采用小电感大电流的

15、电机。 7）电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180-250pps之间（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角为0.9度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 8）电机正反转控制：当电机绕组通电时序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA时为正转，通电时序为DA-D-CD-C-BC-B-AB-A时为反转。 （3）步进电机的特征如下： 1）一般步进电机的精度为步进角的3%-5%，且不积累。 2）步进电机外表允许的最高

16、温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上，有的甚至高达摄氏200度以上，所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。 3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减少，从而导致力

17、矩下降。 4)步进电机低速时可以正常转动，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。1.1.3步进电机的工作原理 步进电机的工作就是步进转动，其功用是将脉冲电信号变换为相应的角位移或是直线位移，就是给一个脉冲信号，电动机转动一个角度或是前进一步。步进电机的角位移量与脉冲数成正比，它的转速与脉冲

18、频率(f)成正比，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。 如下所示的步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。图4步进电机工作原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。 当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C

19、相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D 四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。 图5步进电机工作时序波形图 1.1.4步进电机的分类与选择 （1）步进电机的分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。反应式步进电动机采用高导磁材料构成齿状转子和定子，其结构简单，生产成本低，步距角可以做的相当小，一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组

20、，利用磁导的变化产生转矩，但动态性能相对较差。永磁式步进电机转子采用多磁极的圆筒形的永磁铁，在其外侧配置齿状定子。用转子和定子之间的吸引和排斥力产生转动，它的出力大，动态性能好，但步距角一般比较大。一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度 或15度。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛，它是PM和VR的复合产品，其转子采用齿状的稀土永磁材料，定子则为齿状的突起结构。此类电机综合了反应式和永磁式两者的优点，步距角小，出力大，动态性能好，是性能较好的一类步进电动机，在计算机相关的

21、设备中多用此类电机。 （2）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。 1）步距角的选择 电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。 2）静力矩的选择 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种

22、。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。 3)电流的选择 静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。 4)力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下： P= M =2n/60 P=2nM/60 （1） 其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，n

23、为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米 P=2fM/400(半步工作） （2） 其中f为每秒脉冲数（简称PPS） 1.2 步进电机驱动系统介绍 1.2.1 步进电机驱动系统简介 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备步进电机驱动器.步进电机驱动系统的性能，除与电机本身的性能有关外，也在很大程度上取决于驱动器的优劣。典型的步进电机驱动系统是由步进电机控制器、步进电机驱动器和步进电机本体三部分组成。步进电机控制器发出步进脉冲和方向信号，每发一个脉冲，步进电机驱动器驱动步进电机转子旋转一个步距角，即步进一步。步进电机转速的高低、升速或降速、启动，停止都完全取决于脉冲的有无或频率的高低。

24、控制器的方向信号决定步进电机的顺时针或逆时针旋转。通常，步进电机驱动器由逻辑控制电路、功率驱动电路、保护电路和电源组成。步进电机驱动器一旦接收到来自控制器的方向信号和步进脉冲，控制电路就按预先设定的电机通电方式产生步进电机各相励磁绕组导通或截止信号。控制电路输出的信号功率很低，不能提供步进电机所需的输出功率，必须进行功率放大，这就是步进电机驱动器的功率驱动部分。功率驱动电路向步进电机控制绕组输入电流，使其励磁形成空间旋转磁场，驱动转子运动。保护电路在出现短路、过载、过热等故障时迅速停止驱动器和电机的运行。 1.2.2 步进电机绕组的电气特性 步进电机各相绕组都是在铁心上的铜线圈，电阻和电感是电

25、机相绕组的两个固有属性，电机的性能和这两个因素密切相关。绕组通电时，电感使绕组电流上升速度受到限制，因此影响电机绕组电流的大小。绕组线圈的电阻是电机温升和电能损耗的主要因素。步进电机的相绕组可以等效为一个电感一电阻串联电路。在 t=0时刻，电压V施加到该电路上时，电路中的电流变化规律为: I(t)=V(1-e-Rt/L)/R （3） 通电瞬间绕组电流上升速率为: di(0)/dt=V/t （4） 经过一段时间，电流达到最大值: Imax=V/R（5） L/R定义为该电路的时间常数，是电路中的电流达到最大电流Imax的63%所需要的时间。在 t=t:时刻，电路断开与直流电压源V的连接，并且短路，

26、电路中的电流以初始速率一V/L开始下降，电流变化规律为: I(t)=Ve-R(t-t1)/L/R (6) 不同频率的矩形波电压施加到该电路上，电流波形如图4所示。低频时电流能够达到最大值(a);当矩形波频率上升达到某一临界频率，电流刚达到最大值就开始下降(b):矩形波频率超过此临界值后，绕组中的电流不能达到最大值 (c)。因为步进电机转矩的大小与绕组的电流成正比，所以电机低速运行时，电机能够达到其额定转矩，而在某一特定频率以上运行时，绕组电流随着频率的提高逐渐下降，电机转矩也相应逐渐减小，从而降低了高速运转时带负载能力。不同频率脉冲作用下电感-电阻电路的电流波形 要改善电机高速运行时的性能，有

27、两种办法:提高电流上升速度 VA 和减小时间常数 L/R;可以通过加大绕组的电压从而增加电流上升的速率得时间常数。或者在电路中串联电阻，使L/R减少。 1.3 单片机原理1.3.1单片机原理概述 单片机（single-chip microcomputer）是把微型计算机主要部分都集成在一块芯片上的单芯片微型计算机。图5中表示单片机的典型结构图。由于单片机的高度集成化，缩短了系统内的信号传送距离，优化了结构配置，大大地提高了系统的可靠性及运行速度，同时它的指令系统又很适合于工业控制的要求，所以单片机在工业过程及设备控制中得到了广泛的应用。 数据存储器时钟CPU程序存储器输入输出接口定时计数器 图

28、6典型单片机结构图 1.3.2单片机的应用系统 单片机在进行实时控制和实时数据处理时，需要与外界交换信息。人们需要通过人机对话，了解系统的工作情况和进行控制。单片机芯片与其它CPU比较，功能虽然要强得多，但由于芯片结构、引脚数目的限制，片内ROM、RAM、I/O口等不能很多，在构成实际的应用系统时需要加以扩展，以适应不同的工作情况。单片机应用系统的构成基本上如图6所示。 EPROMRAMROMRAMI/O扩展步进电机 图7单片机的应用系统 单片机应用系统根据系统扩展和系统配置的状况，可以分为最小应用系统、最小功耗系统、典型应用系统。本设计是设计一款最小应用系统，最小应用系统是指能维持单片机运行

29、的最简单配置的系统。这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统，如开关量的输入/输出控制、时序控制等。对于片内有ROM/EPROM的芯片来说,最小应用系统即为配有晶体振荡器、复位电路和电源的单个芯片；对与片内没有ROM/EPROM芯片来说，其最小应用系统除了应配置上述的晶振、复位电路和电源外，还应配备EPROM或EEPROM作为程序存储器使用。 1.3.3 AT89C51简介 AT89C51含E2PROM电可编闪速存储器。有两级或三级程序存储器保密系统，防止E2PROM中的程序被非法复制。不用紫外线擦除，提高了编程效率。程序存储器E2PROM容量可达20K字节。 AT89C51是一种

30、带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（1）主要特性： 1）与MCS-51 兼容 2）4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000写/擦循环 3）全静态工作：0Hz-24Hz 4）三级程序存储器锁定 5）128*8位内部RAM 6）32可编程I/O线 7）两个16位定时器/计数器 8）5个中断源 9）可编程

31、串行通道 10）低功耗的闲置和掉电模式 11）片内振荡器和时钟电路 （2）管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是

32、由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上

33、拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3口管脚备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制

34、信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：

35、外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （3）I/O口引脚： a：P0口，双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）

36、及数据总线分时复用； b：P1口，8位准双向I/O口； c：P2口，8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用； d：P3口，8位准双向I/O口，双功能复用口。 （4）振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (5)芯片擦除： 整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作

37、中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 2.硬件设计本系统采用外部中断方式，p0口作为信号的输入部分，p1口为发光二极管显示部分，p2口作为电机的驱动部分。图8系统整图2.1电源部分 利用LM7812和LM7805芯片得到12V和5V的电压，它们的应用要注意以下几点：（1）输入输出压差不能

38、太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏；（2）输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的输出，散热片的尺寸要足够大，否则会导致高温保护或热击穿；（3）输入输出压差也不能太小,大小效率很差。 其中12V电压给步进电机供电，5V电压则给单片机供电。分别如图9、图10所示。 （1）产生12V的电压给步进电机供电图9 12V供电电路（2）产生5V的电压给单片机供电 图10V供电电路22时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，可以通过提高时钟频率来提高CPU的速度，本次设计采用的晶振为12MHz。单片机的时钟电路由振荡电路和分频电路组成。其中振荡电路由反相器以及联外接石

39、英晶体和电容构成，用于产生振荡脉冲。而分频电路则用于把振荡脉冲分频，以得到所需要的时钟信号，为单片机内容所带的。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入，XTAL2：来自反向振荡器的输出。本次设计所用采用的是外部时钟源驱动器件，所以通过在芯片外并接石英晶体振荡器和两只电容器构成振荡回路，为片内放大器提供正反馈和振荡所需的相移条件，从而构成一个稳定的自激振荡器。本次设计用一只12MH的晶振和两只30pF的电容器就能满足系统所需。 图11振荡电路 2.3 LCD液晶显示 本文采用12864液晶显示，其与单片机P0口相接，用于显示控制界面信息。其引脚可参照说明书，本文主要对软件的设计

40、进行详细的介绍。采用的连接方式是直连方式，通过直接的人为控制状态位，来实现LCD的显示。2.4复位电路 为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据本次设计所需的复位要求，选用上电复位的微分型复位电路，产生高电平复位信号，本次设计用一个10uF电容和一个1K电阻组成微分型复位电路。图12复位电路2.5按键电路 本次设计是通过单片

41、机的P0口来控制信号的输入，因此把按键开关和P0口连接起来，当按下开关S1时，相当于给P0.0口一个低电平；当按下开关S2时，相当于给P0.1口一个低电平；当按下开关S3时，相当于给P0.2口一个低电平；当按下开关S4时，相当于给P0.3口一个低电平；当按下开关S5时，相当于给P0.4口一个低电平。控制信号的输入相当于通过按键开关来实现进而可以对单片机实行相应的操作。 图13按键电路2.6驱动电路 步进电机不能直接接到交直流电源上工作，而必须接入驱动电路才能正常工作。驱动电路集成化成为一种趋势。目前，已有多种步进电机驱动集成电路芯片，它们大多集驱动和保护于一体，作为小功率步进电机的专用驱动芯片

42、，广泛用于小型仪表、计算机外设等领域，使用起来非常方便。此部分电路是步进电机的驱动部分，我选用ULN2004芯片来实现驱动的，ULN2004系列是一款高耐压，大电流达林顿管驱动器，包含7个NPN达林顿管。 图14 驱动电路3.软件设计系统开发软硬件环境 与其它的微处理器一样，开发步进电机驱动系统控制程序也需要一套完整的软件和硬件开发工具。近年来，随着以51单片机为内核的单片机的不断发展和普及，国外的一些公司纷纷推出了以51单片机为基础的集成开发环境。本次毕课程设计选用的单片机是AT89C51。3.1系统主程序 系统分为电机正转、电机反转、电机加速与电机减速的几部分组成，其主程序流程图如下：图1

43、5主程序流程图3.2查键部分 查键程序用于判断P0.0口与P0.1口的值，当p0.0口为0时，电机正转，当p0.0口为1时，继续判断p0.1口的值，p0.1口为0时，电机反转。 图16查键部分流程图 33前进部分 系统初始化之后，前进子程序R0用于给P2口送不同的值，根据电机转动的相序，使电机正向转动，P2口的值分别为01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H。流程图如图17所示。 图17前进部分流程图3.4后退部分 电机反转原理与正转相似，此时P2口的值分别为09H，08H，0CH，04H，06H，02H，03H，01H。流程图如图18所示。图18后退部分流程图3.5加速

44、部分 当电机正转或反转的时候，按下加速键，调用加速子程序，使电机每转动一步的延时变短，从而实现电机的加速。流程图如图19所示。图19加速部分流程图3.6减速部分 电机正转或反转的时候，按下减速键，通过改变电机每转动一步的延时时间，使时间变长，从而实现电机减速。流程图如图20所示。图20减速部分流程图四、项目设计结果分析（分析试验过程中获得的数据、波形、现象或问题的正确性和必然性，分析产生不正确结果的原因和处理方法）步进电机开环控制系统具有成本低、简单、控制方便等优点。在此方案中,负载位置对控制电路无反馈,因此步进电机必须正确响应每次励磁变化。如果励磁频率选择不当,电机不能达到新的要求位置,那么

45、实际的负载位置相对控制器所期待位置会出现永久性误差,也就是会产生“失步”和“过冲”现象。可以采用位置反馈或位置反馈确定与转子位置相适应获得正确相位转换,从而大大改善步进电机的性能,这样就可以进行更加精确的位置控制和获得高速、平稳的速度了。本人深知自己做的工作还很不够，由于软件和硬件的各方面原因，系统的应用讨论不够，精度还有待于进一步提高。由于时间的原因，设备的原因，实验做的不好不够，相关验证性的数据、信息不够丰富。可以肯定，随着技术的不断发展，步进电机的控制应用前景将越来越宽阔，而其控制系统也将向着智能化和网络化的方向发展。本论文的研究和探讨还远远不够，我们要在现在的基础上，不断吸取新的技术和

46、方法，并将它们应用于本课题的研究上来，进一步深化我们的研究深度，争取有更多的收获。五、参考文摘（相关文摘不少于5篇，记录每篇文献的作者姓名.文献名称.文献发行城市：文献出版社，出版年；文献内容摘要, 每篇不少于100字）1.刘君，邱宗明 计算机测控技术 西安：西安电子工业大学出版社2009 在现代工业生产中， 对于每一个工业过程， 人们都需要通过各种方法获取能反映事物客观变化或对象运动属性的各种数据， 记录下来进行分析处理， 并根据所获得的信息采取措施， 支配客观事物或对象的运动过程， 以保证生产过程按人们的愿望进行。一个是对生产过程状况的了解， 就是检测过程； 一个是对生产过程的改变，就是控

47、制过程。 完成检测任务的系统称为测量系统， 用于控制过程的系统称为控制系统。测量的目的在于控制，因此很多情况下在一个系统中， 测量与控制是同时存在的，这就是所谓的测控系统。2学位论文 李均恒 基于单片机和FPGA的步进电机控制系统的研究 2009 本论文以两相混合式步进电机为研究对象，应用单片机和FPGA/CPLD技术，设计出一种全数字步进电机控制系统，通过仿真、综合和下载的各个程序测试环节，并在实验中得到了良好的应用。步进电机根据这些数据来进行工作;并且可根据需要,实时对步进电机工作方式进行设置,具有实时性和交互性的特点3期刊论文 孟武胜.李亮 基于AT89C52单片机的步进电机控制系统设计

48、 -测控技术,2007提出了一个由AT89C52单片机控制步进电机的系统实例,可以通过键盘输入步进电机相关数据,步进电机根据这些数据来进行工作;并且可根据需要,实时对步进电机工作方式进行设置,具有实时性和交互性的特点;该系统可应用于步进电机控制的大多数场合.实践表明,系统性能优于传统的步进电机控制.4.学位论文 方爱平 基于单片机的步进电机控制系统的设计与实现 2008 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。通过单片机10口输出的数据为步进电机的控制信号,信号经微步距两相步进电机

49、专用驱动器SLA7042M驱动步进电机,实现对步进电机的微步距控制.为了得到性能优良的控制结果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。5.期刊论文 郑彧.陈鸿.裴焕斗 基于SPMC75F2413A单片机的步进电机控制方法 -航空科学技术2007提出了一种基于凌阳SPMC75F2413A单片机的步进电机微步距控制方法.通过单片机10口输出的数据为步进电机的控制信号,信号经微步距两相步进电机专用驱动器SLA7042M驱动步进电机,实现对步进电机的微步距控制.该控制方法由于减小了步进电机的步距角,从而提高了电机的分辨率.实验表明,该方法能够满足系统的精度要求.课程设计评分表评 分 项 目评分成绩1选题合理、目的明确（10分）2设计方案正确，具有可行性、创新性（30分）3项目工艺水平及测试性能达到技术要求（25分）4参考文摘不少于5篇（10分）5答辩（25分）总 分（100分）答辩记录：指导教师综合评语：指导教师（签名） 日 期： 年 月 日